[実施の形態1]
図1および図2に示すように、実施の形態1による遠心式血液ポンプ装置のポンプ部1は、非磁性材料で形成されたハウジング2を備える。ハウジング2は、円柱状の本体部3と、本体部3の一方の端面の中央に立設された円筒状の血液流入ポート4と、本体部3の外周面に設けられた円筒状の血液流出ポート5とを含む。血液流出ポート5は、本体部3の外周面の接線方向に延在している。
ハウジング2内には、図3に示すように、隔壁6によって仕切られた血液室7およびモータ室8が設けられている。血液室7内には、図3および図4に示すように、中央に貫通孔10aを有する円板状のインペラ10が回転可能に設けられている。インペラ10は、ドーナツ板状の2枚のシュラウド11,12と、2枚のシュラウド11,12間に形成された複数(たとえば6つ)のベーン13とを含む。シュラウド11は血液流入ポート4側に配置され、シュラウド12は隔壁6側に配置される。シュラウド11,12およびベーン13は、非磁性材料で形成されている。
2枚のシュラウド11,12の間には、複数のベーン13で仕切られた複数(この場合は6つ)の血液通路14が形成されている。血液通路14は、図4に示すように、インペラ10の中央の貫通孔10aと連通しており、インペラ10の貫通孔10aを始端とし、外周縁まで徐々に幅が広がるように延びている。換言すれば、隣接する2つの血液通路14間にベーン13が形成されている。なお、この実施の形態1では、複数のベーン13は等角度間隔で設けられ、かつ同じ形状に形成されている。したがって、複数の血液通路14は等角度間隔で設けられ、かつ同じ形状に形成されている。
インペラ10が回転駆動されると、血液流入ポート4から流入した血液は、遠心力によって貫通孔10aから血液通路14を介してインペラ10の外周部に送られ、血液流出ポート5から流出する。
また、シュラウド11には永久磁石15a,15bが埋設されており、シュラウド11に対向する血液室7の内壁には、それぞれ永久磁石15a,15bを吸引する永久磁石16a,16bが埋設されている。永久磁石15a,15b,16a,16bは、インペラ10をモータ室8と反対側、換言すれば血液流入ポート4側に吸引(換言すれば、付勢)するために設けられている。
図5(a)(b)は永久磁石15a,15b,16a,16bの構成を示す図であり、図5(a)は図5(b)のVA−VA線断面図である。図5(a)(b)に示すように、永久磁石15a,15bの各々は円環状に形成されており、永久磁石15aの外径は永久磁石15bの内径よりも小さい。永久磁石15a,15bは同軸状に設けられており、永久磁石15a,15bの中心点は、ともにインペラ10の回転中心線に配置されている。図では永久磁石15a,15bの同じ方向の端面は同極になっているが、異極とした構成でもよい。
一方、永久磁石16a,16bの各々は円弧状に形成されており、インペラ10の回転方向に2つ配列されている。円環状に配置された2つの永久磁石16aの外径および内径は、永久磁石15aの外径および内径と同じである。円環状に配置された2つの永久磁石16bの外径および内径は、永久磁石15bの外径および内径と同じである。図では永久磁石16a,16bの同じ方向の端面は同極になっているが、異極とした構成でもよい。永久磁石15aと16a、永久磁石15bと16bは、それぞれ互いに吸引する極配置になって対向している。
また、図3に示すように、永久磁石15a,15bの間隔(すなわち永久磁石16a,16bの間隔)D1は、インペラ10のラジアル方向の可動距離(すなわち血液室7の内径とインペラ10の外径との差の距離)の2分の1の距離D2よりも大きく設定されている(D1>D2)。これは、D1<D2とした場合、インペラ10がラジアル方向に最大限まで移動したとき、永久磁石15aと16b、永久磁石15bと16aがそれぞれ干渉し、インペラ10をポンプ中心位置に復元させる復元力が不安定になるからである。
このように、インペラ10の径方向に2対の永久磁石15a,16aおよび永久磁石15b,16bを設けたので、インペラ10の径方向に1対の永久磁石のみを設けた場合に比べ、インペラ10のラジアル方向の支持剛性を大きくすることができる。
なお、シュラウド11および血液室7の内壁にそれぞれ永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16bを設ける代わりに、シュラウド11および血液室7の内壁の一方に永久磁石を設け、他方に磁性体を設けてもよい。また、磁性体としては軟質磁性体と硬質磁性体のいずれを使用してもよい。
また、図3では、永久磁石15aと16aの対向面のサイズが同じであり、かつ永久磁石15bと16bの対向面のサイズが同じである場合が示されているが、永久磁石15a,15bと永久磁石16a,16bの吸引力に起因するインペラ10の剛性の低下を防ぐため、永久磁石15aと16aの対向面のサイズを異ならせ、かつ永久磁石15bと16bの対向面のサイズを異ならせることが好ましい。永久磁石15a,15bと永久磁石16a,16bの対向面のサイズを異ならせることにより、両者間の距離によって変化する吸引力の変化量、すなわち負の剛性を小さく抑えることができ、インペラ10の支持剛性の低下を防ぐことができる。
また、図5(a)(b)では、永久磁石15a,15bの各々を円環状に形成し、永久磁石16a,16bの各々を円弧状に形成してインペラ10の回転方向に等角度間隔で2つ配列したが、逆に、永久磁石16a,16bの各々を円環状に形成し、永久磁石15a,15bの各々を円弧状に形成してインペラ10の回転方向に等角度間隔で2つ配列してもよい。また、永久磁石15a,15bの各々、あるいは永久磁石16a,16bの各々をさらに短い円弧状に形成してインペラ10の回転方向に等角度間隔で複数配列してもよい。
また、図3および図4に示すように、シュラウド12には複数(たとえば8個)の永久磁石17が埋設されている。複数の永久磁石17は、隣接する磁極が互いに異なるようにして、等角度間隔で同一の円に沿って配置される。換言すれば、モータ室8側にN極を向けた永久磁石17と、モータ室8側にS極を向けた永久磁石17とが等角度間隔で同一の円に沿って交互に配置されている。
また、図3および図8に示すように、モータ室8内には、複数(たとえば9個)の磁性体18が設けられている。複数の磁性体18は、インペラ10の複数の永久磁石17に対向して、等角度間隔で同一の円に沿って配置される。複数の磁性体18の基端は、円板状の1つの継鉄19に接合されている。各磁性体18には、コイル20が巻回されている。
また、9個の磁性体18のうちの隣接する4個の磁性体18の3つの間に3つの磁気センサSEが設けられている。3つの磁気センサSEは、インペラ10の複数の永久磁石17の通過経路に対向して配置されている。インペラ10が回転して複数の永久磁石17のS極とN極が交互に磁気センサSEの近傍を通過すると、磁気センサSEの出力信号のレベルは、図9に示すように、正弦波状に変化する。したがって、磁気センサSEの出力信号の時間変化を検出することにより、複数の永久磁石17と複数の磁性体18との位置関係を検出することができ、複数のコイル20に電流を流すタイミングと、インペラ10の回転数を求めることができる。
また、インペラ10と隔壁6の間のギャップが広い場合は、磁気センサSEの近傍の磁界が弱くなって磁気センサSEの出力信号の振幅A1は小さくなる。インペラ10と隔壁6の間のギャップが狭い場合は、磁気センサSEの近傍の磁界が強くなって磁気センサSEの出力信号の振幅A2は大きくなる。したがって、磁気センサSEの出力信号の振幅を検出することにより、インペラ10の可動範囲内におけるインペラ10の位置を検出することができる。
9個のコイル20には、たとえば120度通電方式で電圧が印加される。すなわち、9個のコイル20は、3個ずつグループ化される。各グループの第1〜第3のコイル20には、図10に示すような電圧VU,VV,VWが印加される。第1のコイル20には、0〜120度の期間に正電圧が印加され、120〜180度の期間に0Vが印加され、180〜300度の期間に負電圧が印加され、300〜360度の期間に0Vが印加される。したがって、第1のコイル20が巻回された磁性体18の先端面(インペラ10側の端面)は、0〜120度の期間にN極になり、180〜300度の期間にS極になる。電圧VVの位相は電圧VUよりも120度遅れており、電圧VWの位相は電圧VVよりも120度遅れている。したがって、第1〜第3のコイル20にそれぞれ電圧VU,VV,VWを印加することにより、回転磁界を形成することができ、複数の磁性体18とインペラ10の複数の永久磁石17との吸引力および反発力により、インペラ10を回転させることができる。
ここで、インペラ10が定格回転数で回転している場合は、永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16b間の吸引力と複数の永久磁石17および複数の磁性体18間の吸引力とは、血液室7内におけるインペラ10の可動範囲の略中央付近で釣り合うようにされている。このため、インペラ10のいかなる可動範囲においてもインペラ10への吸引力による作用力は非常に小さい。その結果、インペラ10の回転起動時に発生するインペラ10とハウジング2との相対すべり時の摩擦抵抗を小さくすることができる。また、相対すべり時におけるインペラ10とハウジング2の内壁の表面の損傷(表面の凹凸)はなく、さらに低速回転時の動圧力が小さい場合にもインペラ10はハウジング2から浮上し易くなり、非接触の状態となる。したがって、インペラ10とハウジング2との相対すべりによって溶血が発生したり、相対すべり時に発生したわずかな表面損傷(凹凸)によって血栓が発生することもない。
また、インペラ10のシュラウド12に対向する隔壁6の表面には複数の動圧溝21が形成され、シュラウド11に対向する血液室7の内壁には複数の動圧溝22が形成されている。インペラ10の回転数が所定の回転数を超えると、動圧溝21,22の各々とインペラ10との間に動圧軸受効果が発生する。これにより、動圧溝21,22の各々からインペラ10に対して抗力が発生し、インペラ10は血液室7内で非接触状態で回転する。
詳しく説明すると、複数の動圧溝21は、図6に示すように、インペラ10のシュラウド12に対応する大きさに形成されている。各動圧溝21は、隔壁6の中心から若干離間した円形部分の周縁(円周)上に一端を有し、渦状に(換言すれば、湾曲して)隔壁6の外縁付近まで、幅が徐々に広がるように延びている。また、複数の動圧溝21は略同じ形状であり、かつ略同じ間隔に配置されている。動圧溝21は凹部であり、動圧溝21の深さは0.005〜0.4mm程度であることが好ましい。動圧溝21の数は、6〜36個程度であることが好ましい。
図6では、10個の動圧溝21がインペラ10の中心軸に対して等角度で配置されている。動圧溝21は、いわゆる内向スパイラル溝形状となっているので、インペラ10が時計方向に回転すると、動圧溝21の外径部から内径部に向けて液体の圧力が高くなる。このため、インペラ10と隔壁6の間に反発力が発生し、これが動圧力となる。
このように、インペラ10と複数の動圧溝21の間に形成される動圧軸受効果により、インペラ10は隔壁6から離れ、非接触状態で回転する。このため、インペラ10と隔壁6の間に血液流路が確保され、両者間での血液滞留およびそれに起因する血栓の発生が防止される。さらに、通常状態において、動圧溝21が、インペラ10と隔壁6の間において撹拌作用を発揮するので、両者間における部分的な血液滞留の発生を防止することができる。
なお、動圧溝21を隔壁6に設ける代わりに、動圧溝21をインペラ10のシュラウド12の表面に設けてもよい。
また、動圧溝21の角の部分は、少なくとも0.05mm以上のRを持つように丸められていることが好ましい。これにより、溶血の発生をより少なくすることができる。
また、複数の動圧溝22は、図7に示すように、複数の動圧溝21と同様、インペラ10のシュラウド11に対応する大きさに形成されている。各動圧溝22は、血液室7の内壁の中心から若干離間した円形部分の周縁(円周)上に一端を有し、渦状に(換言すれば、湾曲して)血液室7の内壁の外縁付近まで、幅が徐々に広がるように延びている。また、複数の動圧溝22は、略同じ形状であり、かつ略同じ間隔で配置されている。動圧溝22は凹部であり、動圧溝22の深さは0.005〜0.4mm程度があることが好ましい。動圧溝22の数は、6〜36個程度であることが好ましい。図7では、10個の動圧溝22がインペラ10の中心軸に対して等角度に配置されている。
インペラ10と複数の動圧溝22の間に形成される動圧軸受効果により、インペラ10は血液室7の内壁から離れ、非接触状態で回転する。また、ポンプ部1が外的衝撃を受けたときや、動圧溝21による動圧力が過剰となったときに、インペラ10の血液室7の内壁への密着を防止することができる。動圧溝21によって発生する動圧力と動圧溝22によって発生する動圧力は異なるものとなっていてもよい。
なお、動圧溝22は、血液室7の内壁側ではなく、インペラ10のシュラウド11の表面に設けてもよい。また、動圧溝22の角となる部分は、少なくとも0.05mm以上のRを持つように丸められていることが好ましい。これにより、溶血の発生をより少なくすることができる。
また、インペラ10のシュラウド12と隔壁6との隙間と、インペラ10のシュラウド11と血液室7の内壁との隙間とが略同じ状態でインペラ10が回転することが好ましい。インペラ10に作用する流体力などの外乱が大きく、一方の隙間が狭くなる場合には、その狭くなる側の動圧溝による動圧力を他方の動圧溝による動圧力よりも大きくし、両隙間を略同じにするため、動圧溝21と22の形状を異ならせることが好ましい。
また、図6および図7では、動圧溝21,22の各々を内向スパイラル溝形状としたが、他の形状の動圧溝21,22を使用することも可能である。ただし、血液を循環させる場合は、血液をスムーズに流すことが可能な内向スパイラル溝形状の動圧溝21,22を採用することが好ましい。
図11は、永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16b間(図11では永久磁石15,16間と略記する)の吸引力F1と永久磁石17および磁性体18間の吸引力F2との合力の大きさが、インペラ10の血液室7内の可動範囲の中央位置以外の位置P1でゼロとなるように調整した場合にインペラ10に作用する力を示す図である。ただし、インペラ10の回転数は定格値に保たれている。
すなわち、永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16b間の吸引力F1が永久磁石17および磁性体18間の吸引力F2よりも小さく設定され、それらの合力がゼロとなるインペラ10の浮上位置はインペラ可動範囲の中間よりも隔壁6側にあるものとする。動圧溝21,22の形状は同じである。
図11の横軸はインペラ10の位置(図中の左側が隔壁6側)を示し、縦軸はインペラ10に対する作用力を示している。インペラ10への作用力が隔壁6側に働くとき、その作用力をマイナスとしている。インペラ10に対する作用力としては、永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16b間の吸引力F1と、永久磁石17および磁性体18間の吸引力F2と、動圧溝21の動圧力F3と、動圧溝22の動圧力F4と、それらの合力である「インペラに作用する正味の力F5」を示した。
図11から分かるように、インペラ10に作用する正味の力F5がゼロとなる位置で、インペラ10の浮上位置はインペラ10の可動範囲の中央位置から大きくずれている。その結果、回転中のインペラ10と隔壁6の間の距離は狭まり、インペラ10に対して小さな外乱力が作用してもインペラ10は隔壁6に接触してしまう。
これに対して図12は、永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16b間の吸引力F1と永久磁石17および磁性体18間の吸引力F2との合力の大きさが、インペラ10の血液室7内の可動範囲の中央位置P0でゼロとなるように調整した場合にインペラ10に作用する力を示す図である。この場合も、インペラ10の回転数は定格値に保たれている。
すなわち、永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16b間の吸引力F1と永久磁石17および磁性体18間の吸引力F2とは略同じに設定されている。また、動圧溝21,22の形状は同じにされている。この場合、インペラ10に作用する正味の力F5は可動範囲の中央でゼロとなっているので、インペラ10に対し外乱力が作用しない場合にはインペラ10は中央位置で浮上する。
このように、インペラ10の浮上位置は、永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16b間の吸引力F1と、永久磁石17および磁性体18間の吸引力F2と、インペラ10の回転時に動圧溝21,22で発生する動圧力F3,F4との釣り合いで決まる。F1とF2を略同じにし、動圧溝21,22の形状を同じにすることにより、インペラ10の回転時にインペラ10を血液室7の略中央部で浮上させることが可能となる。図3および図4に示すように、インペラ10は2つのディスク間に羽根を形成した形状を有するので、ハウジング2の内壁に対向する2つの面を同一形状および同一寸法にすることができる。したがって、略同一の動圧性能を有する動圧溝21,22をインペラ10の両側に設けることは可能である。
この場合、インペラ10は血液室7の中央位置で浮上するので、インペラ10はハウジング2の内壁から最も離れた位置に保持される。その結果、インペラ10の浮上時にインペラ10に外乱力が印加されて、インペラ10の浮上位置が変化しても、インペラ10とハウジング2の内壁とが接触する可能性が小さくなり、それらの接触によって血栓や溶血が発生する可能性も低くなる。
なお、図11および図12の例では、2つの動圧溝21,22の形状は同じであるとしたが、動圧溝21,22の形状を異なるものとし、動圧溝21,22の動圧性能を異なるものとしてもよい。たとえば、ポンピングの際に流体力などによってインペラ10に対して常に一方方向の外乱が作用する場合には、その外乱の方向にある動圧溝の性能を他方の動圧溝の性能より高めておくことにより、インペラ10をハウジング2の中央位置で浮上回転させることが可能となる。この結果、インペラ10とハウジング2との接触確率を低く抑えることができ、インペラ10の安定した浮上性能を得ることができる。
また、永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16b間の吸引力F1と、永久磁石17および磁性体18間の吸引力F2とによって構成されるインペラ10のアキシアル方向への負の支持剛性値の絶対値をKaとし、ラジアル方向の正の剛性値の絶対値をKrとし、インペラ10が回転する常用回転数領域において2つの動圧溝21,22で得られる正の剛性値の絶対値をKgとすると、Kg>Ka+Krの関係を満たすことが好ましい。
具体的には、アキシアル方向の負の剛性値の絶対値Kaを20000N/mとし、ラジアル方向の正の剛性値の絶対値Krを10000N/mとした場合、インペラ10が通常回転する回転数領域で2つの動圧溝21,22によって得られる正の剛性値の絶対値Kgは30000N/mを超える値に設定される。
インペラ10のアキシアル支持剛性は動圧溝21,22で発生する動圧力に起因する剛性から磁性体間の吸引力などによる負の剛性を引いた値であるから、Kg>Ka+Krの関係を持つことで、インペラ10のラジアル方向の支持剛性よりもアキシアル方向の支持剛性を高めることができる。このように設定することにより、インペラ10に対して外乱力が作用した場合に、インペラ10のラジアル方向への動きよりもアキシアル方向への動きを抑制することができ、動圧溝21の形成部でのインペラ10とハウジング2との機械的な接触を避けることができる。
特に、動圧溝21,22は、図3、図6および図7で示したように平面に凹設されているので、インペラ10の回転中にこの部分でハウジング2とインペラ10との機械的接触があると、インペラ10およびハウジング2の内壁のいずれか一方または両方の表面に傷(表面の凹凸)が生じてしまい、この部位を血液が通過すると、血栓発生および溶血の原因となる可能性もあった。この動圧溝21,22での機械的接触を防ぎ、血栓および溶血を抑制するために、ラジアル方向の剛性よりもアキシアル方向の剛性を高める効果は高い。
また、インペラ10にアンバランスがあると回転時にインペラ10に振れ回りが生ずるが、この振れ回りはインペラ10の質量とインペラ10の支持剛性値で決定される固有振動数とインペラ10の回転数が一致した場合に最大となる。
このポンプ部1では、インペラ10のアキシアル方向の支持剛性よりもラジアル方向の支持剛性を小さくしているので、インペラ10の最高回転数をラジアル方向の固有振動数以下に設定することが好ましい。そこで、インペラ10とハウジング2との機械的接触を防ぐため、永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16b間の吸引力F1と永久磁石17および磁性体18間の吸引力F2によって構成されるインペラ10のラジアル剛性値をKr(N/m)とし、インペラ10の質量をm(kg)とし、インペラの回転数をω(rad/s)とした場合、ω<(Kr/m)0.5の関係を満たすことが好ましい。
具体的には、インペラ10の質量が0.03kgであり、ラジアル剛性値が2000N/mである場合、インペラ10の最高回転数は258rad/s(2565rpm)以下に設定される。逆に、インペラ10の最高回転数を366rad/s(3500rpm)と設定した場合には、ラジアル剛性は5018N/m以上に設定される。
さらに、このωの80%以下にインペラ10の最高回転数を設定することが好ましい。具体的には、インペラ10の質量が0.03kgであり、ラジアル剛性値が2000N/mである場合には、その最高回転数は206.4rad/s(1971rpm)以下に設定される。逆に、インペラ10の最高回転数を366rad/s(3500rpm)としたい場合には、ラジアル剛性値が6279N/m以上に設定される。このようにインペラ10の最高回転数を設定することで、インペラ10の回転中におけるインペラ10とハウジング2の接触を抑えることができる。
また、図13に示すように、永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16b間(図13では永久磁石15,16間と略記する)の吸引力F1は、インペラ10のラジアル方向への移動に伴って低下する。同様に、永久磁石17と磁性体18間の吸引力F2は、インペラ10のラジアル方向への移動に伴って低下する。
所望のポンプ動作時には、インペラ10はラジアル方向に偏心するため、インペラ10の偏心量に対する吸引力F1の変化量ΔF1と、インペラ10の偏心量に対する吸引力F2の変化量ΔF2とが異なった場合には、その偏心位置でのインペラ10の浮上位置が、血液室7の中央位置から移動してしまう。このため、インペラ10と血液室7の内壁との隙間と、インペラ10と隔壁6との隙間とのうちのいずれか一方の隙間が小さくなり、インペラ10に外乱が少しでも作用すると、インペラ10と血液室7の内壁または隔壁6とが接触してしまう。
一方で、吸引力F1の変化量ΔF1と吸引力F2の変化量ΔF2とが等しい場合は、インペラ10がラジアル方向に偏心しても、インペラ10の浮上位置は血液室7の中央位置に維持される。したがって、インペラ10に外乱が作用しても、インペラ10と血液室7の内壁または隔壁6とが接触する可能性は低くなる。そこで、この実施の形態1では、コイル20に流す電流の位相を調整することにより、ΔF1≒ΔF2とし、インペラ10がラジアル方向に偏心した場合でも、インペラ10のアキシアル方向の浮上位置を血液室7の中央位置に保つ。
図14は、ポンプ部1を制御するコントローラ25の構成を示すブロック図である。図14において、コントローラ25は、振幅演算器26、コンパレータ27、記憶部28、モータ制御回路29、およびパワーアンプ30を含む。振幅演算器26は、磁気センサSEの出力信号の振幅を求め、その振幅からインペラ10の浮上位置を求め、インペラ10の浮上位置を示す信号をモータ制御回路29に与える。コンパレータ27は、3つの磁気センサSEの出力信号と参照電圧の高低を比較し、比較結果に基づいて永久磁石17の回転状況を検出し、永久磁石17の回転状況を示す回転駆動信号をモータ制御回路29に与える。記憶部28は、インペラ10が所定の回転数で可動範囲の中央位置で回転している場合の振幅演算器26およびコンパレータ27の出力信号の波形を記憶している。
モータ制御回路29は、振幅演算器26およびコンパレータ27の出力信号の波形が記憶部28に記憶されている波形に一致するように、たとえば120度通電方式の3相の制御信号を出力する。パワーアンプ27は、モータ制御回路29からの3相の制御信号を増幅して、図10で示した3相電圧VU,VV,VWを生成する。3相電圧VU,VV,VWは、図8〜図10で説明した第1〜第3のコイル20にそれぞれ印加される。これにより、第1〜第3のコイル20に3相交流電流が流れ、インペラ10が可動範囲の中央位置で所定の回転数で回転する。
インペラ10がラジアル方向に偏心すると、吸引力F1,F2は低下するが、所定のポンプ動作を行なうために負荷電流が増大され、吸引力F2は増加する。吸引力F2の調整は、コイル20に流す電流の位相を調整することにより行なわれる。
すなわち、3相電圧VU,VV,VWと3つの磁気センサSEの出力信号との位相差が所定値である場合に、効率は最大になる。3相電圧VU,VV,VWの位相を3つの磁気センサSEの出力信号の位相に対して早めると、永久磁石17と磁性体18間の吸引力F2は低下する。逆に、3相電圧VU,VV,VWの位相を3つの磁気センサSEの出力信号の位相に対して遅らせると、永久磁石17と磁性体18間の吸引力F2は増大する。
したがって、インペラ10がラジアル方向に偏心して、インペラ10のアキシアル方向の浮上位置が血液室7の中央位置からずれた場合は、インペラ10の浮上位置に応じて3相電圧VU,VV,VWの位相、すなわちコイル20に流す3相交流電流の位相を調整することにより、インペラ10の浮上位置を血液室7の中央位置に戻すことができる。
なお、3相電圧VU,VV,VWの位相調整に伴う吸引力F2の変化量は、装置寸法や出力によって異なるが、本実施の形態1では±1N程度である。一方、インペラ10の位置変動に伴う永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16b間の吸引力F1の変化量は1N以下である。したがって、3相電圧VU,VV,VWの位相調整により、F1≒F2にすることは可能である。
この実施の形態1では、永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16b間の吸引力と複数の永久磁石50および複数の永久磁石51間の吸引力とを釣り合わせ、動圧溝21,22を設けたので、インペラ10のアキシアル方向の支持剛性を大きくすることができる。また、インペラ10の径方向に2対の永久磁石15a,16aおよび永久磁石15b,16bを設けたので、インペラ10の径方向に1対の永久磁石のみを設けた場合に比べ、インペラ10のラジアル方向の支持剛性を大きくすることができる。さらに、インペラ10が偏心したときの永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16b間の吸引力F1の変化量ΔF1と永久磁石17および磁性体18間の吸引力F2の変化量ΔF2とを略一致させたので、インペラ10のアキシアル方向の支持剛性を大きくすることができる。したがって、インペラ10とハウジング2との機械的な接触を少なくすることができ、溶血や血栓の発生を防止することができる。
なお、血液室7の内壁の表面および隔壁6の表面と、インペラ10の表面との少なくとも一方にダイヤモンドライクカーボン(DLC)膜を形成してもよい。これにより、インペラ10と血液室7の内壁および隔壁6との摩擦力を軽減し、インペラ10をスムーズに回転起動することが可能になる。なお、ダイヤモンドライクカーボン膜の代わりに、フッ素系樹脂膜、パラキシリレン系樹脂膜などを形成してもよい。
また、図15は、この実施の形態1の変更例を示す断面図であって、図8と対比される図である。この変更例では、9個のコイル20が3個ずつ3グループに分割され、各グループの第1〜第3のコイル20に図10の電圧VU,VV,VWがそれぞれ印加される。第1の磁気センサSEは、第1のグループの第1および第2のコイル20の間に配置される。第2の磁気センサSEは、第1のグループの第3のコイル20と第2のグループの第1のコイル20の間に配置される。第3の磁気センサSEは、第2のグループの第2および第3のコイル20の間に配置される。したがって、第1〜第3の磁気センサSEの間の電気角は、それぞれ120度に維持される。第1〜第3の磁気センサSEの出力信号に基づいて、3相の制御信号の生成、およびインペラ10のアキシアル方向の位置検出が可能である。また、第1〜第3の磁気センサSEの間の機械角がそれぞれ80度になるので、回転中のインペラ10の浮上姿勢を検出することも可能となる。
また、図16は、この実施の形態1の他の変更例を示す断面図であって、図8と対比される図である。この変更例では、9個のコイル20が3個ずつ3グループに分割され、3つの磁気センサSEは3つのグループの3つの間にそれぞれ配置される。したがって、3つの磁気センサSEの間の機械角は、それぞれ120度となるので、回転中のインペラ10の浮上姿勢を容易に演算することができる。9個のコイル20に電流を流すタイミングは、3つの磁気センサSEの内のいずれか1つの磁気センサSEの出力信号に基づいて演算される。
また、永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16b間の吸引力F1と、永久磁石17および磁性体18間の吸引力F2とによって構成されるインペラ10のアキシアル方向の負の剛性値よりも動圧溝21,22の動圧力による剛性が大きくなった場合にインペラ10とハウジング2は非接触の状態となる。したがって、この負の剛性値を極力小さくすることが好ましい。そこで、この負の剛性値を小さく抑えるため、永久磁石15aと16aの対向面のサイズを異ならせ、かつ永久磁石15bと16bの対向面のサイズを異ならせることが好ましい。たとえば、図17に示すように、永久磁石15a,15bのサイズをそれぞれ永久磁石16a,16bよりも小さくすることにより、両者間の距離によって変化する吸引力の変化割合、すなわち負の剛性を小さく抑えることができ、インペラ支持剛性の低下を防ぐことができる。
また、図18は、この実施の形態1のさらに他の変更例を示す断面図であって、図3と対比される図である。図18において、この変更例では、各磁性体18の永久磁石17に対向する先端面に磁性体35が設けられる。この磁性体35の永久磁石17に対向する表面の面積は磁性体18の先端面の面積よりも大きい。この変更例では、永久磁石17に対する磁性体18,35の吸引力を大きくすることができ、インペラ10の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
また、図19は、この実施の形態1のさらに他の変更例を示す断面図であって、図3と対比される図である。図19において、この変更例では、継鉄19が継鉄36で置換され、磁性体18が磁性体37で置換される。継鉄36および磁性体37の各々は、インペラ10の回転軸の長さ方向に積層された複数の鋼板を含む。この変更例では、継鉄36および磁性体37で発生する渦電流損失を軽減することができ、インペラ10の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
また、図20に示すように、インペラ10の回転方向に積層された複数の鋼板を含む磁性体38で磁性体32を置換してもよい。また、図21に示すように、インペラ10の径方向に積層された複数の鋼板を含む磁性体39で磁性体32を置換してもよい。これらの場合でも、図19の変更例と同じ効果が得られる。
また、図3の継鉄19および磁性体18の各々を、純鉄、軟鉄、または珪素鉄の粉末によって形成してもよい。この場合は、継鉄19および磁性体18の鉄損を軽減することができ、インペラ10の回転駆動におけるエネルギ効率を高めることができる。
また、図22は、この実施の形態1のさらに他の変更例を示す断面図であって、図3と対比される図である。図22において、この変更例では、磁性体18が除去されている。この変更例では、永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16b間の吸引力F1と、永久磁石17および継鉄19間の吸引力F2との合力の大きさが、インペラ10の血液室7内の可動範囲の中央位置P0でゼロとなるように調整される。この変更例でも、実施の形態1と同じ効果が得られる。
また、永久磁石17および継鉄19間の吸引力F2が、永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16b間の吸引力F1よりも小さい場合は、図23に示すように、コイル20と異なる位置に磁性体40を配置し、磁性体40と永久磁石17の吸引力F3を付加し、吸引力F1と吸引力F2+F3とがインペラ10の可動範囲の略中央で釣合うようにしてもよい。また、磁性体40は永久磁石であってもよい。
また、図24に示すように、インペラ10の磁性体40に対向する位置に永久磁石41を配置して磁性体40および永久磁石41間の吸引力F4を付加し、吸引力F1と吸引力F2+F3+F4とがインペラ10の可動範囲の略中央で釣合うようにしてもよい。また、磁性体41は永久磁石であってもよい。また、磁性体40が永久磁石の場合は、永久磁石41は磁性体であってもよい。
また、図25(a)(b)は、この実施の形態1のさらに他の変更例を示す断面図であって、図5(a)(b)と対比される図である。図22(a)は図22(b)のXXVA−XXVA線断面図である。この変更例では、永久磁石15aのN極と永久磁石15bのN極とは逆向きに設けられ、永久磁石16aのN極と永久磁石16bのN極とは逆向きに設けられる。永久磁石15aのS極と永久磁石16aのN極とは対向し、永久磁石15bのN極と永久磁石16bのS極とは対向している。この変更例でも、実施の形態1と同じ効果が得られる。
また、この実施の形態1では、本願発明が磁気センサSEを用いた遠心式血液ポンプ装置に適用された場合について説明したが、本願発明は磁気センサSEを使用しないセンサレス駆動方式の遠心式血液ポンプ装置にも適用可能である。センサレス駆動方式では、永久磁石17の回転に伴ってコイル20に発生する逆起電力波形、電流波形やコイル20のインダクタンス変化から位相情報を求め、その位相情報に基づいてコイル20に流す電流の位相調整を行なう。また、ベクトル制御を用いた場合では、q軸電流Iq(トルク電流)をそのままにして、d軸電流Id(励磁電流)の大きさを変化させることによって位相調整と同様の効果を得ることができる。
[実施の形態2]
図26は、この発明の実施の形態2による遠心式血液ポンプ装置のポンプ部の構成を示す断面図であって、図3と対比される図である。図26において、このポンプ部では、インペラ10のシュラウド12に複数の永久磁石17の代わりに複数(たとえば8個)の永久磁石50が埋設されている。複数の永久磁石50は、等角度間隔で同一の円に沿って配置される。モータ室8内には、複数の永久磁石50を吸引するための複数(たとえば8個)の永久磁石51が設けられている。複数の永久磁石51は、インペラ10の複数の永久磁石50に対向して、等角度間隔で同一の円に沿って配置される。
複数の永久磁石51は、椀状のロータ52の表面に設けられている。ロータ52の縁の内側には、複数(たとえば8個)の永久磁石53が等角度間隔で設けられている。複数の永久磁石53は、隣接する磁極が互いに異なるようにして、等角度間隔で同一の円に沿って配置される。換言すれば、ロータ52の内側にN極を向けた永久磁石53と、ロータ52の内側にS極を向けた永久磁石53とが等角度間隔で同一の円に沿って交互に配置されている。
ロータ52の中央部はベアリング54を介して中心軸55に回転可能に支持されており、ロータ52は隔壁6に沿って回転可能に設けられている。中心軸55は、円板状の継鉄56の中央に立設されている。継鉄56の表面において中心軸55の周りには、複数(たとえば9個)の磁性体57が等角度間隔で設けられている。複数の磁性体57の先端は、ロータ52の複数の永久磁石53に対向して、同一の円に沿って配置される。各磁性体57には、コイル58が巻回されている。複数の永久磁石53、複数の磁性体57、および複数のコイル58は、ロータ52を回転させるためのモータを構成する。
9個のコイル58には、たとえば120度通電方式で電圧が印加される。すなわち、9個のコイル58は、3個ずつグループ化される。各グループの第1〜第3のコイル58には、図9で示した電圧VU,VV,VWが印加される。したがって、第1〜第3のコイル58にそれぞれ電圧VU,VV,VWを印加することにより、回転磁界を形成することができ、複数の磁性体57とロータ52の複数の永久磁石53との吸引力および反発力により、ロータ52を回転させることができる。ロータ52が回転すると、ロータ52の複数の永久磁石51とインペラ10の複数の永久磁石50との吸引力により、インペラ10が回転する。
ここで、インペラ10が定格回転数で回転している場合は、永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16b間の吸引力と複数の永久磁石50および複数の永久磁石51間の吸引力とは、血液室7内におけるインペラ10の可動範囲の略中央付近で釣り合うようにされている。このため、インペラ10のいかなる可動範囲においてもインペラ10への吸引力による作用力は非常に小さい。その結果、インペラ10の回転起動時に発生するインペラ10とハウジング2との相対すべり時の摩擦抵抗を小さくすることができる。また、相対すべり時におけるインペラ10とハウジング2の内壁の表面の損傷(表面の凹凸)はなく、さらに低速回転時の動圧力が小さい場合にもインペラ10はハウジング2から浮上し易くなり、非接触の状態となる。
また、実施の形態1と同様、インペラ10のシュラウド12に対向する隔壁6の表面には動圧溝21が形成され、シュラウド11に対向する血液室7の内壁には動圧溝22が形成されている。インペラ10の回転数が所定の回転数を超えると、動圧溝21,22の各々とインペラ10との間に動圧軸受効果が発生する。これにより、動圧溝21,22の各々からインペラ10に対して抗力が発生し、インペラ10は血液室7内で非接触状態で回転する。
さらに、この実施の形態2では、図13で示したように、永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16b間の吸引力F1は、インペラ10のラジアル方向への移動に伴って低下する。同様に、永久磁石50,51間の吸引力F2は、インペラ10のラジアル方向への移動に伴って低下する。
所望のポンプ動作時には、インペラ10はラジアル方向に偏心するため、インペラ10の偏心量に対する吸引力F1の変化量ΔF1と、インペラ10の偏心量に対する吸引力F2の変化量ΔF2とが異なった場合には、その偏心位置でのインペラ10の浮上位置が、血液室7の中央位置から移動してしまう。このため、インペラ10と血液室7の内壁との隙間と、インペラ10と隔壁6との隙間とのうちのいずれか一方の隙間が小さくなり、インペラ10に外乱が少しでも作用すると、インペラ10と血液室7の内壁または隔壁6とが接触してしまう。
一方で、吸引力F1の変化量ΔF1と吸引力F2の変化量ΔF2とが等しい場合は、インペラ10がラジアル方向に偏心しても、インペラ10の浮上位置は血液室7の中央位置に維持される。したがって、インペラ10に外乱が作用しても、インペラ10と血液室7の内壁または隔壁6とが接触する可能性は低くなる。そこで、この実施の形態2では、永久磁石50,51の直径を調整することにより、ΔF1≒ΔF2とし、インペラ10がラジアル方向に偏心した場合でも、インペラ10のアキシアル方向の浮上位置を血液室7の中央位置に保つ。
図27(a)(b)は、インペラ10が偏心した場合の永久磁石50,51の重なり状態を示す図であって、図27(a)は永久磁石50,51の直径が比較的大きい場合を示し、図27(a)は永久磁石50,51の直径が比較的小さい場合を示している。また、図28は、インペラ10の偏心量と吸引力F2との関係を示す図である。
図27(a)(b)において、複数の永久磁石50の回転中心をO1とし、複数の永久磁石51の回転中心をO2とする。インペラ10が偏心していない場合は、回転中心O1とO2はインペラ10に垂直な方向から見て一致する。ここでは、インペラ10が偏心した結果、回転中心O1とO2がある距離dだけずれているものとする。
図26で示した遠心式血液ポンプの場合、ロータ52が回転すると、永久磁石50,51間に角度ずれが発生し、これにより、インペラ10に回転トルクが発生する。インペラ10が偏心していない場合は、複数組の永久磁石50,51の対向面積(重なり面積)は同一である。インペラ10が偏心すると、図27(a)(b)に示すように、永久磁石50,51の対向面積は組により増減するが、複数組の永久磁石50,51の対向面積の総和はインペラ10が偏心していない場合に比べて減少する。インペラ10が偏心した場合において、複数組の永久磁石50,51の対向面積の総和の変化量は、永久磁石50,51の直径が小さいほど大きくなる。
また、複数組の永久磁石50,51間の吸引力F2は、複数組の永久磁石50,51の対向面積の総和に応じて変化する。このため、図28に示すように、吸引力F2は、インペラ10のラジアル方向の変位に応じて減少する。また、永久磁石50,51の直径が比較的大きい場合の吸引力F2の変位量ΔF2Aは、永久磁石50,51の直径が比較的小さい場合の吸引力F2の変位量ΔF2Bよりも小さくなる。一方、永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16bの寸法が決まれば、永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16bの間の吸引力F1の変化量ΔF1は一定である。したがって、永久磁石50,51の直径を調整することにより、吸引力F1の変化量ΔF1と吸引力F2の変化量ΔF2とを略一致させることができる。
また、永久磁石50の中心点と永久磁石51の中心点とのずれ量は、インペラ10の偏心量と所望の回転トルクが発生する周方向の角度ずれ量とを足したものとなり、永久磁石50の回転中心O1と永久磁石51の回転中心O2とのずれ量は、インペラ10の偏心量と同一となる。一方で、永久磁石15a,15bの回転中心と永久磁石16a,16bの回転中心とのずれ量は、インペラ10の偏心量と等しくなる。
したがって、吸引力F1の変化量ΔF1と吸引力F2の変化量ΔF2を等しくするためには、永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16bによって構成される磁気的結合部のラジアル方向の正の支持剛性値の絶対値K1と、複数組の永久磁石50,51によって構成される磁気的結合部のラジアル方向の正の支持剛性値の絶対値K2とが、K1−K2>0という関係を保つことが望ましい。
この実施の形態2では、永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16b間の吸引力と複数の永久磁石50および複数の永久磁石51間の吸引力とを釣り合わせ、動圧溝21,22を設けたので、常にインペラ10の浮上位置をハウジング2内のほぼ中央位置に維持することができる。また、インペラ10の径方向に2対の永久磁石15a,16aおよび永久磁石15b,16bを設けたので、インペラ10の径方向に1対の永久磁石のみを設けた場合に比べ、インペラ10のラジアル方向の支持剛性を大きくすることができる。さらに、インペラ10が偏心したときの永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16b間の吸引力F1の変化量ΔF1と複数組の永久磁石50,51間の吸引力F2の変化量ΔF2とを略一致させたので、常にインペラ10の浮上位置をハウジング2内のほぼ中央位置に維持することができる。したがって、インペラ10とハウジング2との機械的な接触を少なくすることができ、溶血や血栓の発生を防止することができる。
なお、この実施の形態2では、永久磁石50,51の直径を調整し、吸引力F2の変化量ΔF2を調整することによってΔF1≒ΔF2としたが、永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16bの寸法(たとえば、ラジアル方向の幅、間隔)を調整し、吸引力F1の変化量ΔF1を調整してΔF1≒ΔF2としてもよい。
また、図29(a)(b)は、実施の形態2の変更例を示す図であって、インペラ10が偏心した場合の永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16bの重なり状態を示す図である。図27(a)は永久磁石15aと15b(永久磁石16aと16b)の磁極が同方向に向いている場合を示し、図27(b)は永久磁石15aと15b(永久磁石16aと16b)の磁極が互いに逆方向に向いている場合を示している。また、図28は、インペラ10の偏心量と吸引力F1との関係を示す図である。
図29(a)(b)において、永久磁石15a,15bの回転中心をO1とし、永久磁石16a,16bの回転中心O2とする。インペラ10が偏心していない場合は、回転中心O1とO2はインペラ10に垂直な方向から見て一致する。ここでは、インペラ10が偏心した結果、回転中心O1とO2がある距離dだけずれているものとする。
インペラ10が偏心すると、図29(a)〜(d)に示すように、永久磁石15aと16a,15bと16bの対向面積はインペラ10が偏心していない場合に比べて減少する。また、永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16b間の吸引力F1は、永久磁石15aと16a,15bと16bの対向面積に応じて変化する。また、インペラ10が偏心すると、図29(a)(b)の場合は、永久磁石15aと16b,15bと16aの間に吸引力が発生するのに対し、図29(c)(d)の場合は永久磁石15aと16b,15bと16aの間に反発力が発生する。このため、図30に示すように、吸引力F1は、インペラ10のラジアル方向の変位に応じて減少し、図29(a)(b)の場合の変位量ΔF1Aよりも図29(c)(d)の場合の変位量ΔF1Bの方が大きくなる。
この変更例では、永久磁石15a,15bおよび永久磁石16a,16bの磁極を図29(a)(b)または図29(c)(d)のように配置することによって吸引力F1の変化量ΔF1を調整した上で、実施の形態2で示した方法で吸引力F2の変化量ΔF2を調整する。この変更例でも、実施の形態2と同じ効果が得られる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。